4. Linux内核DMA API：dma_alloc_coherent、dma_map_single、dma_map_sg、DMA方向与一致性
各位同学，今天我们聊一个硬核话题——Linux内核里的DMA API。
做PCIE驱动，说白了就是跟数据搬运打交道。CPU搬数据太慢，那就让硬件自己搬。但硬件搬数据有个麻烦：它不认识虚拟地址，只认物理地址。而且，它还要求内存是连续的、没有缓存污染的。这就引出了我们今天的主角——DMA API。
4.1 一致性DMA缓冲区：dma_alloc_coherent
先说说 dma_alloc_coherent。这个函数我用的最多，尤其是在做数据采集卡驱动的时候。
它的作用很简单：分配一块内存，这块内存CPU和DMA控制器都能访问，而且不需要考虑缓存一致性问题。为什么？因为它在分配时就把页表里的缓存属性关掉了（或者干脆用非缓存内存）。
函数原型长这样：
dma_addr_t dma_handle;
void *cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, GFP_KERNEL);
返回两个地址：cpu_addr 是CPU看到的虚拟地址，dma_handle 是DMA设备看到的物理地址（总线地址）。
核心要点： 一致性映射 = 分配时就把缓存问题解决了。CPU和设备看到的永远是一致的数据。
我个人习惯在设备初始化时就分配好这块内存，然后一直用到驱动卸载。比如PCIE的BAR空间映射、大块数据缓冲区，用这个最省心。
小提示： 分配的大小要谨慎。我见过有人一次分配几十MB，结果系统直接OOM。建议按需分配，一般4KB到几MB就够了。
4.2 流式DMA映射：dma_map_single
接下来是 dma_map_single。这个函数跟上面那个不一样——它不分配内存，而是把已有的内存映射给DMA使用。
什么意思呢？你想想看，有时候数据已经在某个缓冲区里了（比如网络包、文件缓存），你不想再拷贝一份。那就直接用 dma_map_single 告诉DMA控制器：这块内存的物理地址在这里，你去搬吧。
dma_addr_t dma_handle = dma_map_single(dev, cpu_addr, size, direction);
这里有个关键参数——direction。它告诉内核数据往哪个方向流动。内核会根据方向做不同的缓存处理：
| DMA方向 | 含义 | 缓存处理 |
|---|---|---|
| DMA_TO_DEVICE | CPU -> 设备 | 刷出缓存（写回内存） |
| DMA_FROM_DEVICE | 设备 -> CPU | 无效化缓存（让CPU重新读内存） |
| DMA_BIDIRECTIONAL | 双向 | 刷出 + 无效化 |
| DMA_NONE | 未定义 | 调试用，别乱用 |
警告： 方向搞错了，数据就乱了。我曾经在调试一个FPGA加速卡时，把DMA_FROM_DEVICE写成了DMA_TO_DEVICE，结果CPU读到的全是旧数据，折腾了两天才发现。
用完记得调用 dma_unmap_single 释放映射。不然DMA控制器可能还占着那块内存，别的驱动就用不了了。
4.3 分散/聚集映射：dma_map_sg
这个函数厉害了。它解决了一个实际问题：物理内存不连续怎么办？
你想想看，用户态程序分配的内存，在物理上可能是东一块西一块的。但很多DMA控制器只支持连续的物理地址。这时候 dma_map_sg 就派上用场了。
它接受一个 scatterlist 数组，里面描述了多个不连续的内存块。然后它把这些块映射成DMA能理解的格式：
struct scatterlist sg[2];
sg_init_table(sg, 2);
sg_set_buf(&sg[0], buf1, len1);
sg_set_buf(&sg[1], buf2, len2);
int nents = dma_map_sg(dev, sg, 2, direction);
返回的 nents 是实际映射的段数。有些DMA控制器支持硬件SG（分散/聚集），那 nents 就等于你传入的段数。如果不支持，内核可能会帮你合并成更少的段。
实战经验： 我在做NVMe驱动时，经常用dma_map_sg处理大块IO请求。一个4MB的读请求，可能对应几十个物理不连续的页。用SG映射，一次DMA操作就能搞定，效率高很多。
遍历映射后的SG列表，用 sg_dma_address 和 sg_dma_len 获取DMA地址和长度：
for_each_sg(sg, s, nents, i) {
dma_addr_t addr = sg_dma_address(s);
unsigned int len = sg_dma_len(s);
// 把addr和len填入DMA描述符
}
4.4 DMA方向与一致性模型
最后聊聊一致性问题。说白了就是：CPU和DMA控制器看到的同一块内存，数据是不是一样的？
有两种模型：
- 一致性模型（Coherent）：用
dma_alloc_coherent分配的内存。CPU和设备随时都能看到最新数据，不需要手动同步。代价是分配和访问速度稍慢（因为禁用了缓存）。 - 流式模型（Streaming）：用
dma_map_single或dma_map_sg映射的内存。数据一致性由你手动管理——映射时内核帮你做缓存同步，取消映射时再做一次。
怎么选？我的建议是：
- 控制寄存器、状态标志、小数据量 → 用一致性映射
- 大数据块、频繁传输 → 用流式映射（性能更好）
避坑指南： 我曾经在流式映射的缓冲区上，CPU写数据后忘了调用 dma_sync_single_for_device，结果DMA读到的全是缓存里的旧数据。记住：流式映射下，CPU和设备不能同时访问同一块内存。要么CPU写完通知设备，要么设备写完通知CPU。
同步函数也很简单：
// CPU写完后，通知设备可以读了
dma_sync_single_for_device(dev, dma_handle, size, DMA_TO_DEVICE);
// 设备写完后，通知CPU可以读了
dma_sync_single_for_cpu(dev, dma_handle, size, DMA_FROM_DEVICE);
嗯，到这里DMA API的核心内容就讲完了。总结一下：
dma_alloc_coherent：分配一致性内存，简单但稍慢dma_map_single：映射已有内存，灵活但需手动同步dma_map_sg：处理不连续内存，适合大块IO- 方向参数决定缓存处理方式，千万别搞反
下一章我们实战一下，写一个PCIE驱动的DMA传输示例。到时候你会看到这些API是怎么配合使用的。